Максимальный объем извлечения нефти и природного газа в Соединенных Штатах может быть существенно повышен благодаря новой методике, созданной в передовой лаборатории.
Ирина Медведева
Источник фото: ptra/Taken
Ученые из Национальной лаборатории энергетических технологий (National Energy Technology Laboratory, NETL) совершают значимые действия, способные увеличить добычу нефти и природного газа из нетрадиционных залежей.
Данный подход нацелен на извлечение дополнительных ресурсов из сланцевых и иных плотных пластов, где уже проводился гидроразрыв при начальной разработке, но которые сохраняют значительные объемы нефти и газа, запертых внутри пород.
Первичное восстановление после гидроразрыва пласта
Из нетрадиционных пластов обычно удается добыть лишь небольшую долю углеводородов. Новое исследование способно укрепить доступность, надежность и безопасность энергоснабжения в США.
«Первичная добыча после гидроразрыва на таких нетрадиционных месторождениях обычно составляет от 3% до 10% от всех запасов нефти и от 5% до 30% от всех запасов природного газа, — поясняет исследовательница NETL Анджела Гудман, признанный в мире эксперт по геологическим системам.
— Наша цель — найти безопасные и экономичные способы извлечения значительно большей части нефти и газа, остающихся в этих пластах».
Ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия может стать незаменимым инструментом
Научная группа утверждает, что спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) предоставляет ценные данные. Команда NETL использует ЯМР для количественного анализа жидкостей в подземных кернах через определение пористости и распределения пор по размерам вплоть до 1 нанометра.
ЯМР также позволяет выявить тип жидкости в керне, различая вещества разной вязкости — воду, водород, тяжелую нефть, легкую нефть и природный газ. Кроме того, метод характеризует смачиваемость керна, показывая, будет ли порода избирательно поглощать воду, нефть, природный газ или углекислый газ (CO2) для интенсификации добычи, говорится в пресс-релизе.
«Мы начинаем с насыщения керна сланца углеводородной нефтью. Атомы водорода в большом количестве присутствуют в углеводородонасыщенных ядрах. Когда образец помещается в магнитное поле ЯМР-устройства, ядра водорода выстраиваются вдоль поля», — отметил исследователь NETL Мэтью Гриндл.
Ученые обнаружили, что затем подается радиочастотный импульс, который временно нарушает равновесие ядер. После прекращения импульса протоны медленно возвращаются к магнитному выравниванию в процессе, называемом «релаксация». Время релаксации ЯМР дает данные о пористости (доля пустот в породе, показывающая, сколько воды, нефти или газа она может вместить), распределении пор по размерам, проницаемости (насколько легко жидкости проходят через связанные поры) и насыщенности породы жидкостью, согласно пресс-релизу.
Применение ЯМР-спектроскопии в лабораторных условиях позволяет моделировать реальные пластовые процессы с высокой точностью. Ученые NETL создают замкнутые циклы, в которых образец керна помещается в камеру, имитирующую давление и температуру залегания. Затем через породу прогоняются различные агенты — от углекислого газа до поверхностно-активных веществ. Каждый такой эксперимент дает не просто числовые данные, но и визуальную картину: томографические срезы показывают, как именно жидкость проникает в микротрещины, как меняется насыщение пор, какие участки остаются недоступными. Это превращает догадки в проверяемые гипотезы, а гипотезы — в рабочие методики для промыслов.
Особый интерес представляет метод «вдох-выдох», который имитирует циклическую закачку и отбор флюидов. На первом этапе в керн подается газ или жидкость под высоким давлением — это «вдох». Затем давление сбрасывается, и часть содержащихся в породе углеводородов вместе с закачанным агентом вытекает обратно — «выдох». ЯМР позволяет в реальном времени отслеживать, сколько нефти или газа осталось в порах после каждого цикла, и подбирать оптимальные параметры — состав закачиваемой смеси, продолжительность выдержки, частоту циклов. Ранее такие измерения были возможны только расчетным путем или с большой погрешностью.
Возможности метода
По сообщению interestingengineering.com, исследователи также выяснили, что ЯМР-установка может анализировать керны внутри сосуда высокого давления, моделируя экстремальные условия — до 10 000 фунтов на квадратный дюйм и температуры до 100 градусов Цельсия, как в недрах. Это позволяет изучать движение жидкостей через образцы в таких условиях.
«Эти анализы дают возможность измерять начальную многофазную насыщенность жидкостей (вода, углеводороды и прочее) и отслеживать ее изменения при введении новых веществ, таких как CO2, природный газ, вода или поверхностно-активные компоненты, предназначенные для запуска добычи нефти», — сообщила исследовательница NETL Лорен Берроуз.
Еще одно преимущество технологии — способность различать типы жидкостей без разрушения образца. В отличие от традиционных методов, требующих дробления керна или его химической обработки, ЯМР дает информацию о составе и состоянии флюидов на основе их магнитных свойств. Это особенно важно для сланцевых пород, где нефть и газ могут находиться в связанном состоянии, прилипая к стенкам нанопор. Зная, какая часть углеводородов подвижна, а какая — заперта капиллярными силами, инженеры могут точнее рассчитывать эффективность закачки и выбирать реагенты, снижающие поверхностное натяжение.
Результаты лабораторных исследований уже начинают применяться при планировании операций на месторождениях. Например, данные ЯМР помогают определить, какой тип газа — азот, диоксид углерода или попутный нефтяной газ — лучше всего подходит для вытеснения нефти в конкретном пласте. Учитывая, что стоимость закачки может достигать миллионов долларов за скважину, точность предварительных оценок становится критически важной. В перспективе NETL намерена создать библиотеку ЯМР-характеристик для различных типов сланцев — это ускорит адаптацию технологии к новым геологическим условиям.
Технология ЯМР будет применяться в экспериментах, где керн нефтенасыщенной породы выдерживается под высоким давлением и подвергается закачке природного газа, воды, поверхностно-активного вещества или CO2 для реализации метода «вдох-выдох». В ходе этих опытов создаются цифровые изображения, формирующие трехмерную карту распределения жидкостей в породе. Они демонстрируют, как закачиваемая жидкость вытесняет нефть и воду через поры, включая нанопоры, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса, как указано в пресс-релизе.
Развитие этого направления может существенно повлиять на энергетический баланс США. Если удастся повысить коэффициент извлечения даже на несколько процентов, это добавит миллиарды баррелей нефти в разряд рентабельно извлекаемых запасов без бурения новых скважин и без дополнительной нагрузки на окружающую среду. Важно и то, что методика не требует принципиально нового оборудования — современные ЯМР-спектрометры уже коммерчески доступны, а их адаптация к полевым условиям ведется параллельно с фундаментальными исследованиями. Таким образом, научная работа NETL имеет прямой выход на промышленную практику, сокращая разрыв между лабораторным открытием и реальным повышением добычи.
В России также уделяют особое внимание разработке инновационных технологий нефтедобычи. Мы писали, что Минприроды начал общественное обсуждение проекта «Об утверждении Правил подготовки проектной документации на разработку технологий геологического изучения, разведки и добычи трудноизвлекаемых полезных ископаемых». За длинным названием скрывается один из важнейших документов будущего нефте- и газодобычи страны.
Не отстают и отдельные компании: технологии «Татнефти», применяемые для разработки сложных месторождений сверхвязкой нефти, могут принести экономический эффект в 22,5 миллиарда рублей. Благодаря этим разработкам, стало возможным вовлечь в эксплуатацию около 140 миллионов тонн природного битума в Татарстане, находящегося в геологически сложных зонах.